无人机倾斜摄影技术在山区地区大比例尺地形图测绘中的应用研究

闫令军，申小兵，季晓菲

（1.三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 741000；2.甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020）

采用航空摄影测量技术生产的测绘成果主要包括4D 产品，其中数字线划图（DLG）是非常重要的一项测绘成果，其也被称为地形图，被广泛用于规划项目中。地形图测绘，目前主流的作业方式有全野外作业和内外业相结合作业2 种方式。全野外作业，就是利用GPS-RTK 设备，在现场进行测绘，主要采集特征点，并在采集的过程中，绘制对应的草图，以便后期内业进行数字化成图。这种作业方式，劳动强度大，作业效率低，数据生产周期长，而且野外作业风险高，其精度的高低主要和采集点的数量相关。内外业相结合作业其实是指基于航空摄影测量的作业方式，外业获取任务区影像数据和少量像控点，内业采用专业的摄影测量数据处理软件，对获取的影像数据进行解算，得到少量的加密点和精确的内外方位元素，然后基于虚拟立体像对地形图进行采集，这种方式对作业人员要求高，现在逐渐被倾斜摄影技术所取代。倾斜摄影是在获取多视影像的基础上，采用专业数据解算软件生产三维模型，并基于三维模型进行地形图的测绘[1-3]。由于地形图精度和航摄影像分辨率有关，为了提升地形图的精度，本次将仿地飞行技术用于倾斜摄影航摄中，并对本文方案的可行性进行了验证。通过实际项目可知，采用本文方案生产的山区地区地形图，其精度可以满足1∶500 精度要求，可以给山区地区大比例尺地形图的生产带来参考。

1 无人机倾斜摄影技术

这种技术是指在摄影测量时，无人机上搭载了多台数码相机，分别从垂直角度和侧视角度对地面进行拍摄，并获取多角度、全方位、信息丰富的影像数据[4-6]。目前无人机上搭载的倾斜设备主要有2 镜头、3 镜头、5 镜头和9 镜头，其中最常见的为5 镜头，其由1 个下视相机和4 个侧视相机组合拼接而成。在航摄时，飞控控制5 个相机同时曝光拍照，并将下视相机的位置和姿态记录下来。5 镜头相机在空中曝光时，拍摄照片的示意图如图1 所示。

图1 倾斜5 镜头航摄示意图

2 无人机仿地飞行技术

仿地飞行是指无人机在飞行的过程中，其高度始终与被摄物体保持不变[7-9]。其主要参照的数据是数字表面模型（DSM）。对于航空摄影测量来说，相对航高、相机焦距、像元大小和影像地面分辨率四者之间存在式（1）的关系。

式中：H 为相对航高，f 为相机焦距，a 为像元大小，GSD为影像地面分辨率。由式（1）可知，对于同一款相机，其像元大小是固定的，在航摄时，相机焦距都是固定的，因此变量只有H 和GSD。要想获得的影像地面分辨率不变，则必须保持H 不变。对于平坦地区而言，飞机距离地面的高度可以看作一个常数，因此获得的影像分辨率是相同的，但是对于地形高低起伏变化的区域，要想获得的影像分辨率一致，则必须保证飞机距离地面的高度是不变的，因此无人机在飞行时，其必须随着地形的变化而改变其绝对航高。图2 为仿地飞行示意图。

图2 仿地飞行示意图

3 作业流程

将倾斜摄影技术和仿地飞行技术结合起来用于山区地区大比例尺地形图的测绘。其主要作业流程包括测区勘探与已有资料收集、像控点布设与测量、航线规划与影像数据航摄、空中三角测量解算、实景三维模型生产和地形图测绘，具体的作业流程如图3 所示。

图3 作业流程示意图

4 案例分析

本项目位于甘肃陇南某地区，要求生产1∶500 地形图。通过对测区勘察可知，任务区内高差约600 m，采用传统固定航高飞行方式，搭配焦距为35 mm 的相机，确保在航摄安全距离范围内，其在低处区域获取的影像分辨率无法满足项目需求。收集到的数据有0.2 m分辨率的影像和现势性强的DSM 成果数据。为了采用航空摄影方式生产得到高精度的数字线划图，本次采用仿地飞行技术和倾斜摄影技术相结合的作业方式，对任务区内的数字线划图进行生产。

4.1 像控点布设与测量

首先将任务区范围线导入LSV 软件中，选用LSV软件中的距离量测工具，按照500 m 的间隔均匀布设点位，并对点位进行统一编号。像控点布设完成后，将布设的像控点点位和收集的0.2 m 影像套合，制作成路线图提供给外业像控点测量人员，通过路线图对作业路线进行规划，可以提高作业效率，避免像控点漏测情况发生。外业人员根据路线图找到点位，再结合实际地形，选择合适的区域进行点位喷涂与坐标值的测量。在像控点点位选择时，要求点位喷涂在不易毁坏的地方，且四周较空旷，无遮挡，点位与周边地物反差大。点位喷涂完成后，利用GPS-RTK 进行点位坐标的采集，每个点采集3 次，取3 次的平均值为最终成果，在采集时，从不同视角对点位进行拍照，以供内业进行点位判读。图4 为实地喷涂的像控点点位。在采集时，采集随机分布较均匀的35 个平高特征点，用来对后期的地形图成果精度进行检测。

图4 像控点喷涂与测量

4.2 航线规划与影像数据采集

本次航线规划选用WapPointMaster 软件，将任务区kml 格式的范围线和tif 格式的DSM 数据导入精细仿地航线设计对话框中，选用下视焦距为35 mm，侧视焦距为50 mm 的相机，设置地面影像分辨率为50 cm，坡向角度为30°，起飞点高程为1 550 m，旁向及航向重叠度均为80%，得到仿地飞行相对航高为388.72 m。具体设置界面如图5 所示。

图5 精细仿地航线设计

将规划好的航线成果上传飞控，外业人员对任务区进行航空摄影作业。由于任务区落差较大，选择上午10 点到下午2 点的这段时间进行航摄，此时太阳高度角较高，地面上形成的遮挡较少，产生的阴影区域就少，而且这段时间光照充足，获取的影像成果亮度适中，对比度明显，信息丰富，成果质量高。

4.3 数据解算与模型生产

在对目前主流的几款建模软件进行对比分析后[10]，最终选用Context Capture Center 软件进行本次数据的解算。首先新建工程，将航摄得到的影像数据和POS 数据导入到软件中，再手动录入相机焦距和传感器尺寸，设置工程路径和引擎路径。快速对影像进行检查，确保输入的影像无损坏。提交空三解算任务，开启引擎，完成数据的解算。采用人机交互方式查看解算成果，未出现分层、弯曲等问题，成果可用。将像控点导入到软件中，完成像控点的转刺与平差。然后在此基础上，设置切块方式和瓦片大小，选择模型输出格式为OSGB，提交重建任务，生产实景三维模型成果。

4.4 地形图测绘

本次地形图生产使用EPS 软件。首先将OSGB 格式的三维模型和对应的元数据xml 文件加载到软件中，并快速得到EPS 软件能够识别的DSM 数据。对于模型结构完整、无拉花变形的区域，直接在实景三维模型上进行地形图测绘；对于模型变形严重，精度无法保证的区域，则将该部分对应的虚拟立体像对加载进来，在立体环境下，对地形图进行采集。实景三维模型上的坐标都是真实坐标，可以直接通过模型获得房屋等的属性信息，如房屋类型、层数、高度等，并且填在数据库中。充分发挥实景三维模型的优势，将实景三维模型测图和虚拟立体像对测图相结合，可以减少外业调绘、补测的工作量，提升作业效率。EPS 软件自带数据库，并且地形图的生产都是在数据库里完成，按照入库要求，对地形图进行拓扑检查等，最终得到高质量的地形图成果。

5 精度分析与评定

利用外业采集的35 个平高检查点，对本次生产的地形图精度进行检测，并将平面较差和高程较差制作成散点图，如图6 所示。

图6 检测点精度检测散点图

按照现有大比例尺规范可知，1∶500 山区地区地形图，其平面位置中误差为0.4 m，高程中误差为0.35 m，平面和高程最大较差不超过2 倍中误差。通过图6 可知，35 个检测点中，其平面较差最大的未超过0.6 m，高程较差最大的也未超过0.6 m。采用高精度中误差计算公式

式中：M 为中误差，n 为检测点个数，Δx 和Δy 为在X方向和Y 方向上的较差，Σ 为累计求和符号。采用式（2）对本次生产的地形图精度进行计算，得到其平面位置中误差为±0.357 m，高程位置中误差为±34.4 m，成果精度满足1∶500 山区地区地形图精度要求。

6 结束语

本文介绍了倾斜摄影技术和仿地飞行技术，并以实际生产项目为例，将2 种技术用于山区地区大比例尺地形图测绘中。利用外业采集的高精度检查点，对本文生产的地形图成果精度进行了验证。结果表明，采用本文方法生产的地形图，其精度均匀可靠，并且作业效率高，作业成本低，具有一定的推广应用价值。